Matériaux à changement de phase pour le lithium

Les batteries Li-ion sont devenues de plus en plus populaires dans les véhicules électriques ces dernières années, mais leurs performances sont fortement affectées par la température. Une chaleur ou un froid extrême peut entraîner une perte de capacité importante et présenter des risques pour la sécurité. Les batteries Li-ion à haute densité énergétique génèrent une quantité importante de chaleur. Il est crucial de la dissiper efficacement pour garantir la stabilité, la longévité et la sécurité du véhicule. La mise en œuvre d'un système de gestion thermique des batteries (BTMS) joue un rôle essentiel dans la réalisation de ces objectifs. L’objectif principal d’un BTMS est de réguler la température des cellules de la batterie, améliorant ainsi la durée de vie globale du système de batterie.

Cet article de Srinivas Burla, chef de projet (batterie et groupe motopropulseur) chez PURE EV, traite des types de systèmes de gestion thermique des batteries et des avantages de l'utilisation de matériaux à changement de phase pour le refroidissement des batteries.

Diverses techniques sont utilisées dans un BTMS, notamment l'utilisation de surfaces étendues, le refroidissement par immersion, les plaques froides, les refroidisseurs thermoélectriques, les matériaux à changement de phase, les tampons de silicium et les matériaux d'enrobage.Les BTMS peuvent être classés en deux types principaux:

Méthodes actives : Ces méthodes s'appuient sur des sources d'alimentation externes pour faciliter leur fonctionnement. Ils intègrent des mécanismes intégrés de chauffage et/ou de refroidissement.

Méthodes passives : Les BTMS passifs ne nécessitent aucune alimentation externe pour leur fonctionnement. Il utilise l’environnement ambiant pour dissiper la chaleur. Comme elles ne nécessitent aucune source d’alimentation externe, elles constituent les méthodes les plus recherchées dans le domaine du développement d’un système de gestion thermique. Ces méthodes présentent également les avantages d’être compactes, moins complexes, sûres, rentables et de cycles de vie améliorés.

Les PCM ou matériaux à changement de phase peuvent absorber une grande quantité de chaleur sans changements excessifs de température pendant le changement de phase solide-liquide.Les systèmes de gestion thermique passive peuvent contrôler la température de la batterie uniformément dans la plage de température de changement de phase, même sans consommer d'énergie supplémentaire.Les paramètres à prendre en compte lors de l’utilisation de matériaux à changement de phase dans un bloc-batterie sont les suivants :

Conductivité thermique:Une conductivité thermique élevée permet une meilleure dissipation et répartition de la chaleur, facilitant ainsi le transfert de chaleur hors des cellules de la batterie.

Température de fusion: La plage de températures de fusion correspond à la plage de températures de fonctionnement souhaitée du bloc-batterie. Il absorbe la chaleur de la batterie lorsqu’elle dépasse sa température de fusion et libère de la chaleur lorsqu’elle se solidifie.

Chaleur latente: La chaleur latente élevée de fusion correspond à la quantité d’énergie absorbée ou libérée pendant le processus de changement de phase. Une chaleur latente élevée permet au PCM d'absorber ou de libérer plus d'énergie thermique, contrôlant ainsi efficacement la température de la batterie.

Stabilité cyclique : Le PCM doit être stable sur plusieurs cycles de chauffage et de refroidissement pour garantir une fiabilité à long terme. Il doit pouvoir subir des transitions de phase répétées sans dégradation ni modification significative de ses propriétés thermiques.

Compatibilité: Le PCM doit être chimiquement compatible avec les composants et les matériaux de la batterie pour éviter toute réaction indésirable ou problème de performance. Cela ne doit pas provoquer de corrosion ou de dégradation des cellules de la batterie ou d'autres composants.

Densité:Une densité plus élevée stocke plus de chaleur dans un volume donné, ce qui est bénéfique dans les applications où l'espace est limité.

Les matériaux à changement de phase peuvent être classés en différentes classes, parmi lesquelles les cires de paraffine sont largement utilisées pour la gestion thermique dans l’électronique. Ces cires possèdent plusieurs propriétés avantageuses, telles qu'une chaleur de fusion élevée par rapport à leur poids, une large gamme de points de fusion parmi lesquels choisir, des capacités de cyclage fiables, une non-corrosivité et une inertie chimique. Ils sont compatibles avec la plupart des métaux, ce qui en fait un choix approprié. Une autre caractéristique notable est leur capacité à stocker une quantité importante de chaleur latente et ils sont disponibles sur un large spectre de températures.